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36 Le développement d'une nouvelle technique des huiles - nettoient - etpalpent ladetonaoOn Essence oulecliquetls N2 C02 H20 - accélèrentlacombustion hydrocarbures - s' opposent a 1 eng lacement Pb t t t par grand trold Mn Catalyseur additifs qui : - empéchent bride r r s de l'eesence t t t - sopposentalurouille Non, CO HC et a la corrosion L'essence ne se compose pas seulement d'hydrocarbures, on lui ajoute de nombreuses substances qui ont chacune des propriétés particulières . Avec l'arrivée des catalyseurs, il faut éliminer de l'essence le plomb (Pb) et le manganèse (Mn) . Les traces de soufre, très difficiles à éliminer, sont gênantes, car elles consomment, après la sonde de mesure, de l'oxygène qui serait nécessaire dans le catalyseur. C'est un peu grâce à une intuition géniale que l'on a découvert, dans l'immédiat après-guerre aux États-Unis, que le plomb constitue un merveilleux anti détonant lorsqu'il est ajouté à l'essence en faible proportion sous forme de plomb tétraéthyle liquide (le taux de compression des moteurs de voiture a pu dépasser sans problèmes celui des moteurs d'avion et les problèmes des hauts taux de compression ont été résolus par les formidables propriétés de lubrifiant à chaud du plomb) . Hélas, le plomb empoisonne les catalyseurs, et l'on a du, pour cette raison, passer à l'essence sans plomb afin de ménager l'environnement dans une Europe industrielle où la densité des voitures au Km 2 dépasse largement celle des États-Unis (heureusement qu'il y a plus de vent qu'en Californie pour chasser un peu les pollutions) . Si l'action négative du plomb sur les catalyseurs est bien connue, on ne connaissait par contre par grand chose sur l'effet inhibiteur exercé par d'autres substances sur le fonctionnement des catalyseurs . C'est la raison pour laquelle CASTROL s'est livrée à des recherches intensives sur ce sujet en coopération avec Johnson Matthey le grand fabricant de catalyseurs qui possédait une large expérience dans le domaine des matériaux catalyseurs proprement dits . Les problèmes éventuels d'interaction entre l'huile et le catalyseur s'annonçaient comme très nombreux, car si les catalyseurs sont susceptibles de contenir des substances "catalysantes" telles que le platine, le rhodium, le palladium déjà cités et d'autres, les huiles modernes contiennent beaucoup plus de substances "réactives" et selon des proportions très variables . 5 .3.2 Le phosphore L'influence du phosphore et du zinc sur le fonctionnement de la sonde à oxygène (sonde Lambda) et sur le catalyseur est connue depuis longtemps . Ce qui n'était pas connu, c'étaient les conditions dans lesquelles le composé zincphosphore exerce une influence nocive, et l'importance de cette dernière . Une telle recherche réalisée sur des moteurs automobiles s'annonçant comme devant mobiliser des moyens considérables . CASTROL décida de construire et de soumettre à l'essai six petits moteurs monocylindriques équipés chacun d'un petit pot catalytique en sortie d'échappement . Les carters étaient bien sûr remplis d'huiles à tester présentant des compositions différentes, mais la grande question à résoudre pour réaliser des essais valables au moindre coût était celle-ci : à quelles charges et à quels régimes fallait-il tester les moteurs ? En coopération avec Johnson Matthey on a choisi une charge cyclique alternée correspondant sensiblement, pour le catalyseur, à un parcours de 80 000 km sur la route. Chaque essai durait environ 300 heures au cours desquelles le bon fonctionnement du catalyseur était mesuré avec précision . L'influence nocive du phosphore a été nettement mise en évidence, comme on l'avait déjà constaté au Japon et aux États-Unis . Il s'est avéré que les petits moteurs fonctionnaient vraiment comme de gros moteurs d'automobile et que les "mini catalyseurs" se comportaient comme des gros, ce qui n'avait rien d'étonnant car les six "petits catalyseurs" avaient en fait été découpés dans des gros destinés à être utilisés sur des moteurs de voiture . huile moteur - mamhennent les particules en suspension - nettoient (par ettetdutergo t) - empechent (usure N2 C02 H20 - empéchent l'oxydationdel'huile huiles de base - améliorent 1 indice de viscosité t t t - erupechent la rouille 2DDP - Catalyseur additifs qui et la een, emn - s'opposent à la fer-ton t t t de musse cousent les frottent" tu de cisaillement Je 1 huilé tout reculer le point de hgeage NOx CO HC L'huile moteur est composée d'huile (s) de base et d'additifs. Parmi les additifs, on utilise le ZDDP, un composé de zinc (Zn) et de phosphore (P) . Le ZDDP remplit deux fonctions qui sont indispensables à l'huile moteur. Hélas le phosphore exerce dans certaines conditions une influence négative sur le fonctionnement du catalyseur . EOUIPEMENT D'ESSAI DE CATALYSEUR L' Le banc d'essai de catalyseur développé par CAS- TROL utilise des petits moteurs monocylindriques . En utilisant une injection d'air contrôlée dans les gaz d'échappement avant le catalyseur, on peut obtenir la bonne composition des gaz d'échappement sans avoir à intervenir sur la richesse du mélange. La température à l'amont et à l'aval immédiat du catalyseur est mesurée en continu par des thermocouples . Ces essais ont également permis de déterminer dans quelles circonstances se manifestait l'effet nocif du phosphore . Il apparaît que cet effet se produit surtout au démarrage du moteur à froid . De l'huile passe alors du cylindre à l'échappement et cette huile contenant du phosphore provoque des dégâts sur le catalyseur . Cela signifie en pratique que c'est EFFET DU LUBRIFIANT MOTEUR SUR LA PERFORMANCE DU CATALYSEUR (conversion de l'oxyde de carbone) e-1 ec Pour faire apparaître l'influence du phosphore sur le fonctionnement du catalyseur, on a comparé sur le diagramme les résultats obtenus avec la nouvelle huile CASTROL avec ceux obtenus avec l'huile utilisée jusqu'à maintenant . Le taux de conversion de l'oxyde de carbone en gaz carbonique diminue rapidement, tandis qu'avec la nouvelle huile il diminue, certes, mais très lentement . Le cycle d'essai de 300 heures correspond pour le catalyseur à 80000 km parcourus sur la route . Le fonctionnement parfait du catalyseur correspond au chiffre 100, ce qui signifie que pour le chiffre 50 on ne convertit que 50 % du gaz qui était converti à l'état neuf du catalyseur. EFFET DU LUBRIFIANT MOTEUR SUR LA PERFORMANCE DU CATALYSEUR (conversion des hydrocarbures) Le taux de conversion des hydrocarbures imbrûlés en eau et en gaz carbonique est influencé de façon très négative par le phosphore . Après un tiers seulement de la durée totale de l'essai, ce taux est tombé à 50 % de ce qu'il était au début . pendant les trajets courts que le catalyseur est dégradé, cette situation correspondant précisément aux zones urbaines où la pollution automobile est maximale ! Ces deux constatations ont amené CASTROL à développer une technologie des huiles tout fait nouvelle . Il est facile de dire : "Il faut éliminer le phosphore de l'huile de la même façon que l'on a éliminé le plomb de l'essence, et le à problème sera résolu", mais les choses ne sont pas si simples . 5.3 .3 L'oxydation et l'usure L'élimination du phosphore dans les huiles de graissage n'est pas encore possible actuellement car il remplit actuellement deux fonctions essentielles . Il constitue un additif, même plus un dopant devrait-on dire, anti-usure et anti oxydation qui présente des propriétés particulières . Tous les fabricants d'huile utilisent l'additif connu sous le nom de ZDDP où la première et la dernière lettre désignent respectivement le zinc et le phosphore . Si l'on réduit ou supprime cet additif, on peut se demander quelles formes inconnues vont prendre alors l'oxydation et l'usure du moteur .
Le développement d'une nouvelle technique des huiles 37 EFFET DU LUBRIFIANT MOTEUR SUR LA PERFORMANCE DU CATALYSEUR (convenbn d.s oxydes d'azote) Le taux de conversion des oxydes d'azote en azote est réduit dans une moindre mesure par le phosphore . Le fonctionnement du catalyseur se maintient cependant beaucoup plus longtemps à un taux de conversion favorable avec l'huile réalisée selon une nouvelle technologie . ESSAI CASTROL SUR L'EFFET D'ÉCRAN DES CATALYSEURS DMdn•ntM1 de tempenturo i haver le atatyeeur 200 ,a0- Tawanpe tao- Na..e. ,20 . ca,.,,r,,,,,,,,, U ,20- e ,o~ -" ~~ 20 t" . 0- - -- ------- -80 -00- -100 0 40 80 120 160 200 240 290 300 Temq M h- Un catalyseur qui fonctionne bien bn)le les hydrocarbures imbrûlés . Ceci provoque, avec les autres conversions, une augn>entaton de la température des gaz d'échappement, mesurée par les the mocouples . Sur ce graphique, on a indiqué la différence entre la température à l'amont et à l'aval du pot catalytique. Tant que la différence de température est positive, on peut en conclure que le fonctionnement du catalyseur est correct. Dès que la différence devient négative, on peut en déduire que la conversion des hydrocarbures est incomplète. Il apparaît à l'évidence que l'utilisation de l'huile moteur ordinaire inhibe très rapidement le fonctionnement du catalyseur. Après une cinquantaine d'heures de fonctionnement du moteur, les gaz d'échappement ne sont plus réchauffés, tandis qu'avec la nouvelle huile, le réchauffement se poursuit. Ce test apparaît plus significatif que les précédents . Les huiles utilisées au Japon et en Amérique présentent dès maintenant des teneurs en phosphore réduites mais les charges techniques et mécaniques des moteurs y sont tout de même moindre qu'en Europe . La même position vient d'être arrêté en Australie . CAS- TROL veut s'atteler à la solution de ce problème mais cela signifie qu'il va falloir procéder à un grand nombre d'essais avec des dizaines de compositions d'huiles . Dès qu'il est devenu évident qu'une nouvelle technologie des huiles était possible, cela voulait dire qu'il était possible de réaliser des huiles de premières qualité avec des teneurs en phosphore inférieures mais que les essais devaient passer du laboratoire à la route . Seuls des essais pratiques avec des automobiles standard peuvent montrer si le but que l'on se proposait d'atteindre a été effectivement atteint . CASTROL a réalisé les essais avec différentes marques d'automobiles . Chez Ricardo, en grande Bretagne, on a utilisé deux Volkswagen Golf 1,8 litre afin de déterminer et de comparer la pollution et la dégradation du catalyseur, respectivement avec l'huile ordinaire et avec la nouvelle huile . Les alésages des cylindres conservent encore le profil de rodage connu . On ne trouve pas de rainure longitudinales sur le piston . La consommation d'huile a été constante au cours de la totalité de l'essai et a atteint environ 1 litre tous les 8500 km . Le moteur turbo-Diesel VW est utilisé pour tester l'huile de graissage quant au risque de formation de résine sur le segment de coup de feu . A cause de la surpression d'admission qui augmente la quantité de carburant brûlé et la pression de combustion, ce type de moteur atteint des températures de piston très élevées et les risques de blocage du segment coup de feu sont aggravées . Dans certaines conditions d'exploitation, notamment en cas de reprise brutale d'accélération, ce type de moteur produit beaucoup plus de suie que l'huile ne peut en maintenir en suspension, ce qui justifie des intervalles de vidange plus courts qu'avec les moteurs à essence . En Allemagne on a soumis à un essai de longue durée quatre Mercedes et quatre BMW qui ont chacune parcouru 100 000 km . Les résultats ont montré que la nouvelle technologie des huiles était un succès . L'usure et le calaminage de tous les moteurs étaient à un niveau minimal . Les vidanges sont intervenues seulement tous les 10000 km et elles ne faisaient apparaître aucune oxydation . En Mai 1986 est arrivé sur le marché la CAS- TROL GTX -3 qui est la première huile minérale fabriquée selon la nouvelle technologie des huiles . Ensuite, ont suivi l'huile semi synthétique TXT et l'huile complètement de synthèse Formula RS . Ces trois types d'huile satisfont à toutes les nouvelles spécifications sur les huiles tout en réduisant la pollution du catalyseur au minimum . Voici comment se prése i le banc d'essai pour les six moteurs monocylindriques qui sont mis en charge par un generalleur ebcvlque-
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